靜岡大學對核融合反應爐用W-Re合金進行全球首次電漿驅動滲透實驗

靜岡大學理學部大矢恭久副教授的研究團隊，利用靜岡大學的電漿驅動滲透裝置（SUMPPU）進行了電漿照射實驗，闡明了鎢-錸（W-Re）合金樣品中電漿滲透和滯留行為的物理常數受Re和照射缺陷的影響。

此研究成果已於2026年5月30日刊登於Elsevier出版的國際學術期刊「Fusion Engineering and Design」。

【研究背景】 作為備受期待的下一代清潔能源，核融合發電利用氘（D）和氚（T）核融合反應產生的能量。由於核融合反應在高溫電漿狀態下維持，因此具有高熔點和低濺射率的鎢（W）被認為是構成反應爐壁的電漿面對材料的有力候選者。在運轉過程中，W不僅會暴露於高能D和T，還會暴露於D-T反應產生的中子。為了實現核融合反應爐，長期維持電漿穩定運行和嚴格管理稀有的氚是不可或缺的。因此，有必要闡明在接近實際條件的W中氫同位素的滲透行為。

然而，中子照射後的W部分會轉變成錸（Re），同時引入照射缺陷，因此評估Re和照射缺陷對氫同位素行為的影響至關重要。中子照射後的樣品具有放射性，全球能夠處理的設施非常有限。本研究團隊透過在管制區域內設置電漿驅動滲透裝置（SUMPPU），能夠進行針對中子照射樣品的電漿滲透實驗，這是全球獨一無二的能力。本研究旨在透過SUMPPU進行D電漿照射，評估滲透和滯留行為，以闡明Re添加的影響。

【研究成果】 本研究使用了W和W–10%Re合金作為樣品。為了模擬照射缺陷，在離子照射研究設施（TIARA）進行了Fe²⁺離子照射，之後將樣品導入靜岡大學的SUMPPU。對W和W–Re合金進行了D電漿滲透實驗，評估了W–Re的滲透行為。此外，在D電漿照射後進行了升溫脫附法（TDS），評估了Re和照射缺陷對氫同位素滯留行為的影響。

結果顯示，與W相比，W–10%Re的滲透通量有所增加。根據實驗獲得的參數計算再結合常數，結果表明W–10%Re的再結合常數小於W。再結合常數的降低抑制了D從表面的釋放，增加了樣品內部的D濃度。這表明增加的內部D擴散到背面，導致W–10%Re的滲透通量增大。

此外，發現Re的添加透過抑制照射缺陷的產生並減少D的捕捉位點，顯著降低了D的滯留量。闡明了Re添加具有降低再結合常數和抑制照射缺陷產生的效果。

【未來展望與影響】 本研究獲得的見解加深了對照射環境下W–Re合金中氫同位體遷移動力學的理解，並將極大地有助於構建開發核融合反應爐材料所需的基礎數據。

【論文資訊】 刊載雜誌： Fusion Engineering and Design 論文標題： Hydrogen isotope permeation and desorption dynamics in W-Re alloys 作者：Yuzuka Hoshino, Robert Kolasinski, Yasuhisa Oya DOI：https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2026.115841

SUMPPU裝置與D電漿照射時的様子。